5G专网在汽车制造领域应用探索

5G专网在汽车制造领域应用探索

王文杰，曾鹏，李渭

（中国汽车工业工程有限公司，天津 300000）

摘要：随着我国新时期社会发展水平以及科技发展速度的不断提升，汽车制造领域以及相关行业也面临着新的改革，尤其以智能化技术为依托打造的新型汽车控制系统，在运行期间对于信息传输的需求更高，因此在当前的5G通信场景下，打造5G专网对于汽车制造领域的发展有着极强的促进作用。本文则是建立在5G专网设计和应用的角度，围绕着汽车制造领域的工业互联网应用情况进行分析，综合5G专网的规划、建设、维护、优化等相关内容进行分析，进一步提升汽车制造领域的发展质量。

关键词：5G专网；汽车制造；应用场景；创新方向

5G通信本身具备低时延、高速率以及连接广泛的特点，与当前多个行业的多种场景都有极强的适配性，同时在工业互联网领域5G技术也有极强的应用价值，并且可以结合不同的领域打造5G专网。本文则是从汽车制造的角度出发，通过理论分析以及技术研究，确定了5G专网在汽车制造领域的具体应用方向，将为新时期我国的汽车研发以及性能优化提供更高的综合效益。

1、技术应用背景分析

随着我国新时期经济发展水平的不断提升，传统的工业园区以及制造行业的生产线，也面临着重组和调整，通过网络进行生产线全覆盖，能够为新时期的制造行业发展奠定良好基础，而当前一部分工业园区以及生产线，虽然已经覆盖了WiFi以及LoRa等无线网络，但是在信号传递方面还存在着干扰较强、容量有限、稳定性不高的问题，这会导致一部分智能化生产设备在辅助生产的过程中出现频繁卡顿或者掉线的情况，不仅会影响工作效率，还会影响产品本身的质量。另外较为薄弱的网络基础会导致生产线后续的智能化改造和扩展面临较大的影响，比如无法快速接入人工智能、大数据以及其他的新兴技术，严重阻碍了汽车制造领域的发展和创新。

同时在当前竞争较为激烈的市场环境下，汽车制造领域不仅要满足人们常规的产品供应需求，还需要满足新时期智能化产品的创造需求，那么通过5G专网进行汽车制造生产线以及工厂的网络体系升级，必然是新时期发展的核心要求。

2、5G专网在汽车制造领域的应用案例及场景分析

为了进一步提升文章论述的科学性，本文建立在具体案例的层面展开分析，某公司作为汽车生产制造的主体，在新时期的社会发展环境下面临着较大的压力，因此需要及时进行生产系统的改革。

2.1需求分析

2.1.1业务需求分析

该项目在生产线改造的过程中致力于打造汽车智慧工厂，因此需要结合其中的各项业务体系分析对网络的具体要求，以此来定位5G专网的具体建立方向。而从当前企业发展的角度来看，最常规的业务模式包含了工厂自动化、过程自动化、物流及储存管理、监控与维护乃至工厂后续的其他附属性设施建设，其中对于网络有较高要求的用户较多。

例如在工厂自动化建设以及过程自动化管理的过程中，涉及ECU下载测试、机械视觉测试、移动机器人、柔性生产及机械臂的使用，这几项业务对于网络的要求较高。ECU下载测试需要打造eMBB测试路线，机械视觉则需要构建urllc/eMBB传输路线，而移动机器人在生产和运行的过程中，也有着较高的网络运行需求，比如以5G通信网络为依托，能够进一步提升机器视觉抓取的效率，降低路线损耗导致的抓取中断，全面提升业务整体节拍；而工业AR级监控领域需要，需要提升工业生产线的智能穿戴设备应用广度打造大带宽以及低时延的传输体系。

2.1.2汽车工厂的发展需求

汽车工厂的整体生产流程，涵盖多个车间以及多个操作内容，例如包括冲压、车身、涂装、总装、物流等，而每一个车间又包含了大量的服务类设备，要求网络的可靠性需要控制在99.99%以上，针对生产过程中产生的各类紧急故障、一般故障、重要故障等设置不同等级的网络警告，并且合理调整不同警告的恢复时间，确保生产线的全年停机时间控制在52分钟以下[1]。园区内部需要常驻维保人员，针对各机房、生产线等区域进行设备管理，并且建立内部智慧联网系统，以提升智能管控运维的效率。

2.2 5G专网系统规划

建立在以上业务需求以及汽车工厂制造需求的基础上，确保5G专网的组建和规划符合实际标准，就必须要打造良好的前期框架，该项目所构建的5G专网，强调围绕“规建维优”这一系统性原则展开。利用一次规划、分阶段建设、持续性维护以及拓展优化的方法来提升汽车生产制造的智能化程度。

2.2.1网络架构

为了确保5G专网可以顺利运行，确保在发生网络故障时，依旧可以维持良好的运行状态，该项目提出了AB双网热备方案，其实际架构见图1。

图1：汽车智能工厂双网热备网络架构

以上两种方案通过AB倒换的方式运行。在正常运转的过程中，两套不同的组网模式同时实现双网覆盖，并且结合不同业务合理的设置门槛以及权限。并且在系统运行的过程中将重点放置在A→B异频切换门限设置方面，A网的信号若出现一部分故障问题会自动转换到与之相邻较近，且运行速度较快的B网，各项智能化生产设备以及监控设备的终端使用单卡单PLMN方案。

假设在运行的过程中，若其中的A网出现了故障，首先及时进行通信系统的排查分析核心网、传输网是否出现故障，若是无线通信网络领域的故障，会快速切换到B网，然后进行A网络的修复。修复之后需要通过手动切换的方式将覆盖系统转换成A网；若通过检查和维修发现是传输系统存在故障，那么系统会自动地转换成B网，在A网络修复之后会手动切回；若经过检测之后确定是核心网的故障，网络系统切换到B网之后，会及时进行整体系统的排查，并且为了确定核心网的具体故障位置，需要通过自动预警以及人工排查的方式进行细节优化，若所有的终端在线且无异常，则代表目前核心网的故障并不会影响B网的运行状态，前期所设定的工作时间以及工作效率不会变更，在整体生产线停止运行之后，再将A网故障下的终端切到B网，重新进行检测具体的故障位置以及内容，然后进行集中修复，修复后切回A网。闭塞部分pRRU的方案可能会影响其他业务正常的pRRU，不建议在厂区工作时间操作。

而以上所有的故障切换以及排除，必须要通过用户及监控进行全过程跟踪，要确保所有的细节都可追溯，才可以为5G专网的正常运行奠定良好基础。

2.2.2工业网络建设方案

5G专网的应用需要融入到原有的工业生产线中，因此考虑不同网络之间的对接和融合是重点。

例如，在整体工业网络建设期间，头端方案的设置需要考虑容量问题，为了确保后续容量眼镜期间避免出现小区劈裂能力和规避小区之间干扰，容量场景的使用通常以外接定向天线模块配合定向天线吊装的方法进行规划[2]。同时考虑后续网络容量扩展的需求，要确保有足够的硬件演进能力以及软件的扩展能力。

其次，从覆盖规划的层面来讲，设置4米挂钩场景能够进一步降低空间路损概率，波宽调整为10dB便能够满足最基础的全覆盖需求。若将挂包场景提升到8米左右，需要采用60度天线，并且考虑路损增加的概率，利用6dB波宽作为覆盖边界；若增高到12米，则需要考虑利用30°天线，拨宽依旧为10dB，能够满足最基础的覆盖需求。

再次，从单位面积的角度来讲，每平方米需要设置三个头端，并且考虑所有的潜在业务，以及后续的生产线改制乃至设备增减的需求，建议基础头段的规划必须要建立在三个以上，最低不少于三个。

除此之外，还需要考虑扩容方案以及天线的选型。后续的扩容可以结合汽车工厂的实际发展需求进行调整，那么所打造的扩容方案要相对独立，才可以满足不同场景下的扩展需求。而本项目主要选择了三个不同的维度。

维度1：扇区劈裂，例如，32个头端射频合路调整至16个头端射频合路，通过良好的RF规划使容量接近倍增。

维度2：频谱叠加，从联通100MHz到电联200MHz共用，容量同步倍增。

维度3：软特性，支持分布式MM，8个头端共小区场景，开启分布式MM，上行容量实现2～4倍容量提升。上基于该原则。

而天线的选型主要以全向天线和定向天线为主，标准原则在于满足以下条件任意之一，便可以使用内置全向天线。例如办公区域内无须设置扇形劈裂，全向天线能够满足最基础的覆盖需求；挂高控制在10米以下，同时厂区的整体面积较大，内部有着丰富的隔断，因此需要进行小区域的劈裂，更可以利用墙体的阻隔进行区域之间干扰的限制；对于演进诉求以及后期的容量扩展有一定的高标准，需要进行善区劈裂，挂高较高的场景，要额外接入外接天线模块，进一步降低小区域边界，减少各个区间之间的干扰。

2.3构建完善的专网维保方案

为了确保汽车工厂的制造和生产线的运行具备稳定性，需要制定科学的维保方案，其中包含了组织架构以及驻厂服务等方面的需求[3]。从组织架构的层面来讲，通信公司需要积极组建行业内部保障小组，将其作为无罪专网维保的桥梁以及纽带，要积极建设组织监控运维中心网优、无线、核心网、驻场等团队，也提供专家进行运维管理，明确各方主体的责任，才可以为5G专网的实际应用提供根本保障。

另一方面，从专网的统一运维管理角度来讲，工厂自身需要采取统一的运维管理方式，其中涉及故障预测、预防、识别、诊断、恢复等各项环节。本项目主要设置了包括OWS运行态支持在运营商DC集中部署的运维方式，支持通信企业与汽车工厂的双向合作，能够打造协同化的网络监控和故障处理体系[4]。通过2B拓扑，实现切片及网络状态和质量可视监控，并且建立专网运维统一的入口，能够大大提升故障识别和诊断的效率，而逐渐积累起的场景运维知识库，又可以配合专家神经网络实现自动识别和诊断，整体的诊断模式以及熟练度会随着5G专网的使用逐步积累，从而提升网络监管的科学性。

3结论

综上所述，在当前的汽车工业生产制造领域，通过5G专网打造联动性的全覆盖网络体系，不仅有助于提升汽车生产制造的业务运转质量以及行业发展稳定性，还可以为新时期工业互联网的建设提供根本保障。在实际应用的过程中，需要结合具体的应用场景，合理地选择5G专网的系统架构，打造稳定且具备拓展能力的工业网，能够监测汽车工业生产期间的各项问题和细节，对于打造智慧化汽车工业生产体系有一定促进作用。

参考文献；

[1]杜加懂,王志勤.5G行业虚拟专网驱动应用规模化发展[J].移动通信,2022,46(08):2-7.

[2]吴敏.智能制造助力汽车产销跑出“中国速度”[N].中国政府采购报,2022-07-29(005).

[3]刘圣林,龙永树.5G专网助力工业互联网发展[J]. 中国仪器仪表,2021,(08):57-60.

[4]陈斌，陈武军，樊忠文，周玉杰. 5G+MEC专网智能制造工厂[J].通信技术，2021,54(01):215-223.